大型鋼結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)軸承節(jié)點設(shè)計及其研究

陳高容

（福建龍溪軸承（集團）股份有限公司，福建 漳州 363000）

1 概述

在大型空間鋼結(jié)構(gòu)中，地震、風(fēng)荷載、結(jié)構(gòu)體系金屬熱脹冷縮效應(yīng)及其他結(jié)構(gòu)應(yīng)力（比如焊接應(yīng)力）等，均會引起空間結(jié)構(gòu)體系發(fā)生多方位轉(zhuǎn)動，而傳統(tǒng)的銷軸式鉸節(jié)點只能單方向轉(zhuǎn)動，如圖1所示，節(jié)點只能圍繞X軸轉(zhuǎn)動，其他方向，則受耳板與銷軸的約束難以轉(zhuǎn)動，將會產(chǎn)生較大附加彎矩，如圖2所示，嚴(yán)重時將危及結(jié)構(gòu)安全。

圖1 銷軸式鉸接節(jié)點

圖2 耳板附加彎矩形成

關(guān)節(jié)軸承是一種球面滑動軸承，承載能力強、耐磨性好、可以在任意方向轉(zhuǎn)動且受載應(yīng)力分布均勻，具有良好力傳遞效果；關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用示例，如圖3所示，銷軸裝在一組中心高度一致的座孔中，其中一端座孔裝有關(guān)節(jié)軸承，在銷軸中心位置加載徑向載荷，銷軸承載受彎變形，力傳遞到座孔兩端，裝有關(guān)節(jié)軸承的座孔應(yīng)力分布較為均勻，而沒有裝關(guān)節(jié)軸承的座孔應(yīng)力主要集中在座孔兩端靠端面處，應(yīng)力集中明顯存在壓潰的風(fēng)險。

圖3 關(guān)節(jié)軸承應(yīng)用示例

關(guān)節(jié)軸承節(jié)點由關(guān)節(jié)軸承、耳板、銷軸及必要的加強肋等基本零件組成的新型建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點單元，如圖4所示，以關(guān)節(jié)軸承為轉(zhuǎn)動核心，使得節(jié)點能夠圍繞X，Y軸轉(zhuǎn)動，從而能夠有效降低附加彎矩對耳板使用強度的影響，提高了整體結(jié)構(gòu)的安全性，減少加工制造成本，也彌補常規(guī)銷軸式節(jié)點只能單向轉(zhuǎn)動的不足。

圖4 關(guān)節(jié)軸承節(jié)點

2 關(guān)節(jié)軸承節(jié)點設(shè)計

某體育中心屋蓋采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計，使用年限為50年，建筑鋼結(jié)構(gòu)安全等級為一級，建筑抗震設(shè)防為重點設(shè)防類；幕墻柱腳鉸接節(jié)點，擬采用關(guān)節(jié)軸承節(jié)點作為鋼結(jié)構(gòu)的鉸接節(jié)點，節(jié)點設(shè)計載荷參數(shù)：①豎向壓力Fver中，載荷主要來源于鋼結(jié)構(gòu)的自重，也是節(jié)點主要承受的載荷，經(jīng)計算豎向壓力為14 000 kN；②面內(nèi)剪力Frad中，力的方向在中耳板的平面內(nèi)垂直于銷軸，載荷的主要來源是鋼結(jié)構(gòu)之間相互作用力，經(jīng)計算面內(nèi)剪力為3 500 kN；③面外剪力Ftan中，力的方向垂直于中耳板平行于銷軸，載荷的主要來源包括大風(fēng)、地震、溫度等外力因素，經(jīng)計算面外剪力為800 kN；④節(jié)點轉(zhuǎn)角2°。關(guān)節(jié)軸承節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

圖5 關(guān)節(jié)軸承節(jié)點結(jié)構(gòu)

關(guān)節(jié)軸承節(jié)點由關(guān)節(jié)軸承、軸承壓蓋、銷軸、定位套、中耳板、外耳板、銷軸蓋板、高強螺栓組等部件組成，通過高強螺栓將銷軸蓋板鎖于銷軸兩端面，軸承內(nèi)、外圈分別采用定位套，軸承壓蓋和高強螺栓組加以限位鎖緊；節(jié)點載荷傳遞路徑，豎向壓力Fver，中耳板→軸承外圈→軸承內(nèi)圈→銷軸→外耳板；面外剪力Ftan，中耳板→軸承外圈→軸承內(nèi)圈→定位套→外耳板→銷軸蓋板；面內(nèi)剪力Frad，中耳板→ 軸承外圈→軸承內(nèi)圈→銷軸→外耳板；節(jié)點通過繞Y軸小角度轉(zhuǎn)動，降低附加彎矩對中耳板使用強度的影響，從而提高節(jié)點的使用強度。

3 有限元仿真分析

運用ABAOUS仿真分析軟件對關(guān)節(jié)軸承節(jié)點進行承載分析，通過對幾何模型的邊界條件設(shè)置、接觸對設(shè)置、材料模型和網(wǎng)格劃分等要素的設(shè)置，建立關(guān)節(jié)軸承節(jié)點仿真模型，盡量使模型受力承載情況與節(jié)點實際受力一致，節(jié)點和主要承載部件，在設(shè)計載荷作用下的應(yīng)力分布，如圖6、圖7、圖8所示。在設(shè)計載荷作用下，節(jié)點的所有零部件均未發(fā)生屈服，處于彈性狀態(tài)滿足承載要求；銷軸最大應(yīng)力位于銷軸中段，其位置為軸承內(nèi)圈加載位置，即銷軸主要承受彎應(yīng)力與剪切應(yīng)力的合力。由于在面外剪力的作用下使得節(jié)點的中耳板產(chǎn)生彎曲變形，耳板變形位移3 mm，為節(jié)點的最大位移，同樣的在面外剪力影響下，中耳板、外耳板、軸承內(nèi)、外圈等零部件出現(xiàn)局部區(qū)域應(yīng)力集中，而非均勻受載；因此，后續(xù)足尺實驗將應(yīng)變片和位移計布置在這些應(yīng)力集中區(qū)域，觀察其應(yīng)力、應(yīng)變發(fā)展情況。

圖6 節(jié)點和銷軸應(yīng)力分布

圖7 軸承內(nèi)、外圈應(yīng)力分布

圖8 外耳板和中耳板應(yīng)力分布

4 足尺實驗驗證

節(jié)點加載示意圖如圖9所示。節(jié)點采用臥放加載方式，節(jié)點所承受的豎向荷載和切向荷載，通過切向裝置和豎向裝置直接施加，在垂直赤道平面方向通過將荷載施加在中耳板上對節(jié)點間接施加徑向荷載，根據(jù)有限元仿真分析結(jié)果和節(jié)點的構(gòu)造，合理布置應(yīng)變片和位移計。

實驗結(jié)果：在設(shè)計載荷加載作用下，所有應(yīng)變測點的測試結(jié)果表明，所有零部件均未發(fā)生屈服，處于彈性狀態(tài)，節(jié)點的最大位移2.9 mm，位于中耳板中端，該結(jié)果與有限元仿真分析結(jié)果一致。由此可以看出，該關(guān)節(jié)軸承節(jié)點在單倍設(shè)計載荷作用下，結(jié)構(gòu)的承載性能良好，能夠抵抗外載荷的作用。

圖9 節(jié)點加載示意圖

5 結(jié)束語

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)廣泛運用于體育場、機場航站樓和圖書館等大型建筑，關(guān)節(jié)軸承節(jié)點作為一種新型的鋼結(jié)構(gòu)鉸接節(jié)點，承載能力強且能夠在任意方位上轉(zhuǎn)動，優(yōu)化了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點設(shè)計，降低了工程造價，關(guān)節(jié)軸承節(jié)點的開發(fā)具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。